DE19609114B4

DE19609114B4 - Winkelgeschwindigkeitssensor

Info

Publication number: DE19609114B4
Application number: DE19609114A
Authority: DE
Inventors: Yoshimi Kariya Yoshino; Kenzi Kariya Kato
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1995-03-08
Filing date: 1996-03-08
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2016-03-09
Also published as: JPH08247768A; DE19609114A1; US5747691A

Abstract

Winkelgeschwindigkeitssensor, für den ein orthogonales Koordinatensystem mit einer x-Achse, die eine Breite bestimmt, einer y-Achse, die eine Dicke bestimmt, und einer z-Achse, die eine Länge bestimmt, definiert ist, mit:
einem Schwingungselement (3), welches Arme (4, 5) einer Stimmgabelform aufweist, die sich parallel zueinander entlang der z-Achse erstrecken und über Fußteile (4a, 5a) miteinander verbunden sind, wobei das Schwingungselement (3) aus einer Halbleitersubstanz gebildet ist,
wobei jeder Arm (4, 5) ein entlang der y-Achse dünnes Teil (9, 12) aufweist, welches zwischen dicken Teilen (7, 8, 10, 11) des Arms (4, 5) derart angeordnet ist, daß der Arm (4, 5) an dem dünnen Teil in Richtung der y-Achse gebogen werden kann;
einer Erregungseinrichtung (2c, 2d, 22, 23) zum Erregen des Schwingungselements (3) derart, daß die Arme (4, 5) des Schwingungselements (3) in Richtung der x-Achse senkrecht zu der Richtung ihrer Dicke (y-Achse) schwingen; und
auf Dehnung ansprechende Elemente...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor zum Erfassen einer Winkelgeschwindigkeit oder Gierrate.
Ein in 15 dargestellter piezoelektrischer Schwingungswinkelgeschwindigkeitssensor wird als Sensor zum Erfassen der Winkelgschwindigkeit eines Fahrzeugs verwendet. Der Schwingungswinkelgeschwindigkeitssensor erfaßt die Winkelgeschwindigkeit durch die Schwingung eines stimmgabelförmigen Schwingungselements 40 in Richtung der x-Achse und Erfassen der Schwingung des Schwingungselements 40 in einer um 90° versetzten Richtung (in Richtung der y-Achse) bezüglich der durch die Winkelgeschwindigkeit hervorgerufenen Schwingungsrichtung. Zur detaillierten Erklärung eines Verfahrens zum Herstellen eines derartigen Sensors sei festgestellt, daß piezoelektrische Ansteuerungselemente 42a und 42b auf einer U-förmigen Ansteuerungsplatte 41 angebracht sind, welche aus einem gleichen elastischen Material wie einer Elinvarlegierung gebildet sind. Während ein piezoelektrisches Erfassungselement 44a auf einer Erfassungsplatte 43a aus einem gleichen elastischen Metall angebracht wird, wird ein anderes piezoelektrisches Erfassungselement 44b an einer anderen Erfassungsplatte 43b aus einem gleichen elastischen Metall angebracht. Als nächstes werden die oberen Oberflächen der Ansteuerungsplatte 41 in rechten Winkeln mit den unteren Oberflächen der Erfassungsplatten 43a und 43b verbunden. Ein Leitungsdraht 45 wird jeweils an die piezoelektrischen Elemente 42a, 42b, 44a und 44b gelötet, welche elektrisch mit den Elektroden einer (in der Figur nicht dargestellten) Schaltungsplatine verbunden sind. Eine Expansion und Kontraktion der piezoelektrischen Ansteuerungselemente 42a und 42b versetzen die Ansteuerungsplatte 41 und die Erfassungsplatten 43a und 43b in Richtung der x-Achse der Figur erregt in Schwingungen, und danach geben die piezoelektrischen Erfassungselemente 44a und 44b die Schwingung in Richtung der y-Achse der Erfassungsplatten 43a und 43b aus, welche durch die Winkelgeschwindigkeit als elektrisches Signal für die Messung hervorgerufen wurde.
Bei dem oben beschriebenen herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensor hängt jedoch eine Schwankung der Charakteristik weitgehend davon ab, wie genau die piezoelektrischen Elemente 42a, 42b an der Ansteuerungsplatte 41 und die piezoelektrischen Elemente 44a, 44b an den Erfassungsplatten 43a bzw. 43b angebracht sind und die Ansteuerungsplatte 41 in rechten Winkeln mit den Erfassungsplatten 43a und 43b verbunden ist. Um die Schwankung der Charakteristik kleiner zu machen, müssen die piezoelektrischen Elemente 42a, 42b 44a und 44b genau an der Ansteuerungsplatte 41 bzw. den Erfassungsplatten 43a und 43b angebracht werden, und es muß die Ansteuerungsplatte 41 mit den Erfassungsplatten 43a und 43b genau in rechten Winke1n verbunden werden, was zu hohen Herstellungskosten führt.

Aus der DE 69309541 T2 ist ein Winkelgeschwindigkeitssensor mit einem Schwingelement bekannt, wobei das Schwingelement aus einer Halbleitersubstanz gebildet ist und Arme aufweist, wobei jeder Arm ein dünnes Teil besitzt, welches zwischen dicken Teilen derart angeordnet ist, daß der Arm an dem dünnen Teil in Richtung der Dicke gebogen werden kann. Des weiteren ist aus der Druckschrift eine Erregungseinrichtung zum Erregen des Schwingelements bekannt, so daß die Arme des Schwingelements in einer Richtung senkrecht zu der Richtung der Dicke schwingen. Es sind auf Dehnung entsprechende Elemente vorgesehen, welche auf den dünnen Teilen der jeweiligen Arme angeordnet sind, wobei die auf Dehnung entsprechenden Elemente die Krümmung im Ansprechen auf eine angebrachte Winkelgeschwindigkeit erfassen.

Aus den Druckschriften JP 07159177 A , JP 63252220 A , JP 06034374 A und JP 03134511 A ist bekannt, daß das Schwingelement Arme einer Stimmgabelform aufweist, die sich parallel zueinander erstrecken.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Winkelgeschwindigkeitssensor mit stabilisierter Charakteristik und hoher Empfindlichkeit bei niedrigen Herstellungskosten zu schaffen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8.

Ein Winkelgeschwindigkeitssensor entsprechend der vorliegenden Erfindung enthält ein Schwingungselement mit Armen einer Stimmgabelform, welche sich parallel zueinander erstrecken und eine Schwingung, welche durch die aufgebrachte Winkelgeschwindigkeit während der Erregung der Arme induziert wird, der Arme in Richtung senkrecht zu der Erregungsrichtung erfassen. Das Schwingungselement ist aus Silizium gefertigt, dünne Teile sind teilweise zwischen dicken Teilen der Arme gebildet, und auf Dehnung bzw. Spannung ansprechende Elemente zum Erfassen der aufge brachten Winkelgeschwindigkeit sind auf den dünnen Teilen angebracht.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden die Arme des stimmgabelförmigen Schwingungselements, welche aus Silizium gebildet sind, zum Schwingen erregt. Wenn eine Winkelgeschwindigkeit aufgebracht wird, werden die Arme dazu veranlaßt, in Richtung senkrecht zu der Erregungsrichtung zu schwingen. Die auf Dehnung bzw. Spannung ansprechenden Elemente, welche auf den dünnen Teilen der Arme angebracht sind, erfassen die induzierte Schwingung. Hierbei kann der Winkelgeschwindigkeitssensor der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Silizium-Mikro-Materialbearbeitungstechnologie hergestellt werden, und somit können die Elemente zum Erfassen der Winkelgschwindigkeit gebildet werden, ohne daß sie auf den Erfassungsplatten anzubringen sind, wodurch ermöglicht wird, einen Winkelgeschwindigkeitssensor mit stabilisierter Charakteristik vorzusehen.

Da die auf Dehnung bzw. Spannung ansprechenden Elemente auf den dünnen Teilen angeordnet sind, welche teilweise auf den Armen gebildet sind, können die dicken Teile an dem oberen Ende als Massen (Gewichtsteile) arbeiten, und somit wird die Dehnung bzw. Spannung in den dünnen Teilen größer, um eine Erfassung der Winkelgeschwindigkeit mit hoher Empfindlichkeit zu ermöglichen.

Vorzugsweise sind einkristallines Silizium und darauf gebildete piezoelektrische Widerstandselemente für das oben erwähnte Silizium bzw. die auf Dehnung bzw. ansprechenden Elemente anwendbar.

Das Schwingungselement kann durch Herausätzen von vorbestimmten Gebieten eines Siliziumssubstrats hergestellt werden. Dabei ermöglicht das Ätzverfahren, die festen. Elektroden genau anzuordnen, so daß sie den Armen des Schwingungselements mit einem vorbestimmten dazwischen befindlichen Abstand gegenüberliegen. Die Arme werden erregt, um durch Aufbringen einer elektrostatischen Kraft oder einer piezoelektrischen Kraft zwischen Armen zu schwingen, und die festen Elektroden werden getrennt angeordnet. Anders als bei der herkömmlichen Vorrichtung muß die Ansteuerungsplatte nicht in rechten Winkeln mit den Erfassungsplatten verbunden werden, und daher wird eine Kostenreduzierung weiter gefördert.

Darüber hinaus kann eine Isolierung eines PN-Übergangs für die elektrische Trennung zwischen den Armen und den festen Elektroden verwendet werden. Dadurch kann die elektrische Trennung ohne Schwierigkeiten unter Verwendung einer gewöhnlichen Technologie zur Herstellung eines Halbleiterbauelements erreicht werden.

Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Winkelgeschwindigkeitssensorelements einer ersten Ausführungsform;
2 zeigt eine Vorderansicht des Winkelgeschwindigkeitssensorelements der ersten Ausführungsform;
3 zeigt ein Diagramm einer elektrischen Schaltung, welches eine elektrische Konstruktion des Winkelgeschwindigkeitssensors der ersten Ausführungsform veranschaulicht;
4 zeigt eine Draufsicht, welche ein Beispiel eines Zusammenbaus veranschaulicht, bei welchem ein Winkelgeschwindigkeitssensorelement installiert ist;
5 zeigt eine Querschnittsansicht entlang Linie V-V von 4;
6, 7, 8 und 9 zeigen Querschnitte zur Erklärung eines Verfahrens zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors der ersten Ausführungsform;
10 zeigt ein Diagramm, welches eine Wellenformstruktur der Ansteuerungsspannung des Winkelgeschwindigkeitssensors der ersten Ausführungsform darstellt;
11 zeigt eine beispielhafte Darstellung des Betriebs des Winkelgeschwindigkeitssensors der ersten Ausführungsform;
12 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Winkelgeschwindigkeitssensorelements einer zweiten Ausführungsform;
13 zeigt eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht des Winkelgeschwindigkeitssensorelements der zweiten Ausführungsform;
14 zeigt ein Diagramm einer elektrischen Schaltung, welches eine elektrische Konstruktion des Winkelgeschwindigkeitssensors der zweiten Ausführungsform veranschaulicht; und
15 zeigt eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensors.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die zugeordneten Figuren beschrieben.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Winkelgeschwindigkeitssensorelements (Abtast- bzw. Abfragee lement) der vorliegenden Erfindung. 2 stellt eine Draufsicht auf das Abtastelement dar. In Übereinstimmung mit der Zeichnung werden die Horizontalrichtung, die nach vorne und hinten gerichtete Richtungen und senkrechte Richtungen entsprechend einem rechtwinkligen Koordinatensystem x-, y- und z-Achsen genannt.
Das vorliegende Winkelgeschwindigkeitssensorelement ist aus einem einkristallinen Siliziumsubstrat 1 einer vorbestimmten Dicke t1 gebildet. Das Siliziumsubstrat 1 enthält ein einkristallines P-Typ Siliziumsubstrat 1a und eine darauf epitaxial aufgewachsene N-Typ Siliziumschicht 1b. Ein quadratischer ringförmiger Rahmenkörper 2 und ein stimmgabelförmiges Schwingungselement 3 sind durch Herausätzen von vorbestimmten Gebieten aus dem einkristallinen Siliziumsubstrat 1 und durch Abtrennen mit Schneidevorrichtungen teilbar gebildet. Der Rahmenkörper 2 ist aus einem Bodenteil 2a, einem Oberteil 2b und zwei Seitenteilen 2c und 2d zusammengesetzt. Das stimmgabelförmige Schwingungselement 3 wird von dem Bodenteil 2a gehalten. Das Bodenteil 2a und das Oberteil 2b des Rahmenkörpers 2 erstrecken sich in Richtung der x-Achse, während sich die Seitenteile 2c und 2d in Richtung der z-Achse erstrecken.
Bei der vorliegenden Ausführungsform besitzen die Seitenteile 2c und 2d des Rahmenkörpers 2 feste Eelektrodenteile.
Das Schwingungselement 5 weist ein paar Arme 4 und 5 auf, welche sich parallel zueinander erstrecken, und ein Verbindungsteil 6, welches die Arme 4 und 5 mit dem Rahmenkörper 2 verbindet. Die Seitenteile 2c und 2d des Rahmenkörpers 2 sind einander gegenüberliegend mit einem vorbestimmten Abstand zu jedem Arm 4 und 5 angeordnet, welche sich in Richtung der z-Achse erstrecken.
Beide Arme 4 und 5 des Schwingungselements 3 sind prismaförmig. Ein dünnes Teil 9, welches ein Teil ist, das in Richtung der y-Achse dünner ist, ist in der Mitte des Arms 4 zwischen dicken Teilen 7 und 8 gebildet. Das dicke Teil 7, welches näher an dem Ende des Arms 4 als an dem dünnen Teil 9 lokalisiert ist, arbeitet als Masse (Gewichtsteil). Ein dünnes Teil 12 ist ähnlich in der Mitte des Arms 5 zwischen dicken Teilen 10 und 11 gebildet. Das dicke Teil 10, welches näher an dem Ende des Arms 5 als an dem dünnen Teil 12 lokalisiert ist, arbeitet als Masse (Gewichtsteil). Des weiteren sind beide Arme 4 und 5 mit dem Verbindungsteil 6 des Schwingungselements 3 durch Fußteile (root portions) 4a und 4b jeweils verbunden, welche in Richtung der x-Achse verjüngt sind.
Piezoelektrische Widerstandselemente 13a und 13b als auf Dehnung bzw. Spannung ansprechende Elemente sind auf der N-Typ Siliziumschicht 1b des dünnen Teils 9 des Arms 4 gebildet. Piezoelektrische Widerstandselemente 14a und 14b sind ebenso auf der N-Typ Siliziumschicht 1b des dünnen Teils 12 des Arms 5 gebildet. Rahmen- oder streifenförmige piezoelektrische Widerstandselemente 13a, 13b, 14a und 14b sind durch Dotieren der N-Typ Siliziumschicht 1b mit P-Typ Verunreinigungen gebildet. Während die piezoelektrische Widerstandselemente 13a und 14a sich in Richtung der z-Achse erstrecken, erstrecken sich die piezoelektrische Widerstandselemente 13b und 14b in Richtung der x-Achse.
Ein P-Typ Verunreinigungsdiffusionsgebiet 15 der Diffusionstiefe, welche auf das einkristalline P-Typ Siliziumsubstrat 1a reicht, ist in der N-Typ Siliziumschicht 1b an dem Boden des Seitenteils 2c des Rahmenkörpers 2 gebildet. Ein P-Typ Verunreinigungsdiffusionsgebiet 16, welches auf das einkristalline P-Typ Silizumsubstrat 1a reicht, ist ebenso in der N-Typ Siliziumschicht 1b an dem Boden des Seitenteils 2d des Rahmenkörpers 2 gebildet. PN-Übergänge an den P-Typ Verunreinigungsdiffusionsgebieten 15 und 16 isolieren und trennen die N-Typ Silizumschicht 1b des Bodenteils 2a des Rahmenkörpers 2 von der N-Typ Siliziumschicht 1b der anderen Gebiete (2b, 2c und 2d). D.h. die N-Typ Siliziumschicht 1b in dem Schwingungselement 3 und das Bodenteil 2a des Rahmenkörpers 2 sind elektrisch von der N-Typ Siliziumschicht 1b an dem Oberteil 2b und den Seitenteilen 2c und 2d des Rahmenkörpers 2 isoliert. Die N-Typ Siliziumschicht 1b an den Seitenteilen 2c und 2d des Rahmenkörpers 2 dient als feste Elektrode, und die N-Typ Siliziumschicht 1b in dem Schwingungselement 3 (insbesondere die Arme 4 und 5) dient als zu erregende bewegliche Elektrode.
Eine Reihe quadratischer Elektroden (Bondinseln) 17, 18, 19, 20 und 21 ist auf der Oberfläche des Bodenteils 2a des Rahmenkörpers 2 angeordnet. Die Elektrode 21 kontaktiert elektrisch die N-Typ Siliziumschicht 1b an dem Bodenteil 2a des Rahmenkörpers 2.
Quadratische Elektroden (Bondinseln) 22 und 23 sind auf der Oberfläche der Seitenteile 2c und 2d des Rahmenkörpers 2 angeordnet. Beide Elektroden 22 und 23 kontaktieren elektrisch die N-Typ Siliziumschicht 1b an den Seitenteilen 2c und 2d und dem Oberteil 2b des Rahmenkörpers 2.
3 zeigt die elektrische Verbindung zwischen den vier piezoelektrischen Widerstandselementen 13a, 13b, 14a und 14b, welche in einer Vollbrückenschaltung miteinander verbunden sind. Die oben erwähnte Elektrode zum Erden 17 (GND) ist zwischen den piezoelektrischen Widerstandselementen 14b und 14b angeschlossen. Die Elektrode für die Leistungsquelle 18 (Vcc) ist zwischen den piezoelektrischen Widerstandselementen 13a und 14a angeschlossen. Die Elektrode zum Erfassen 19 (S2) ist zwischen den piezoelektrischen Widerstandselementen 14a und 14b angeschlossen. Die andere Elektrode zum Erfassen 20 (S1) ist zwischen den piezoelektrischen Widerstandselementen 13a und 13b angeschlossen. Somit erfaßt die aus vier piezoelektrischen Widerstandselementen 13a, 13b, 14a und 14b zusammengesetzte Vollbrückenschaltung die Widerstandswertänderungen der Elemente als Spannungsänderung.
Elektrische Verbindungen zwischen den jeweiligen piezoelektrischen Widerstandselementen 13a, 13b, 14a und 14b ebenso wie zwischen den piezoelektrischen Widerstandselementen 13a, 13b, 14a und 14b und den Elektroden 17 bis 20 werden durch eine Verdrahtung des auf der N-Typ Siliziumschicht 1b gebildeten Verunreinigungsdiffusionsgebiets und/oder einer Aluminiumverdrahtung gebildet. Die Elektroden l7 bis 23 sind durch (nicht dargestellte) Bonddrähte mit einer gedruckten Schaltungsplatine verbunden. Über die gedruckte Schaltungsplatine, welche eine Steuerschaltung aufweist, wird ein Erdungspotential an die Erdungselektrode 17 angelegt, und es wird ebenso eine Versorgungsspannung Vcc an die Leistungsquellenelektrode 18 angelegt wie in 3 dargestellt. Die Steuerschaltung der gedruckten Schaltungsplatine weist einen Differentialverstärker 24 auf, welcher in 3 durch eine punktgestrichelte Linie dargestellt ist, dessen Eingangsanschlüsse mit den Erfassungselektroden 19 bzw. 20 verbunden sind. Der Differentialverstärker 24 verstärkt und gibt eine Potentialdifferenz zwischen den Erfassungselektroden 19 und 20 in der vollbrückenschaltung aus.
Ein Beispiel eines Zusammenbaus, bei welchem das Winkelgeschwindigkeitssensorelement der vorliegenden Ausführungsform installiert ist, wird im folgenden unter Bezugnahme auf 4 und 5 beschrieben. 4 und 5 stellen den Zustand dar, bei welchem das Sensorelement, welches wie oben beschrieben in dem einkristallinen Siliziumsubstrat 1 gebildet ist, auf einem Keramiksubstrat 50 angeordnet und als Bauteil mit einer Hülse versehen ausgebildet ist. 4 zeigt eine Draufsicht auf die Sensorge räteanordnung und zeigt ebenso teilweise die Innenseite einer Hülse 51. 5 zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer Linie V-V von 4. Das Siliziumsubstrat (Sensorelement) 1, eine Signalverarbeitungsschaltung 52, eine (nicht dargestellte) Ansteuerungsschaltung und ein Dickschichtwiderstand 53 sind auf dem Keramiksubstrat 50 angebracht, um eine IC-Hybridstruktur zu bilden. Diese IC-Hybridstruktur ist auf einem Sockel 54 befestigt und durch die Hülse 51 luftdicht abgeschlossen. Der Sockel 54, welcher mit Leitungsstiften 55a, 55b und 55c durchdrungen ist, ist hermetisch versiegelt. Wie in 5 dargestellt ist das Siliziumsubstrat (Sensorelement) 1, derart auf dem Keramiksubstrat 50 mit einem dazwischen gesetzten Abstandshalter 56 befestigt, daß den Armen 4 und 5 des Siliziumsubstrats (Sensorelement) 1 ermöglicht wird, bezüglich des Keramiksubstrats 50 zu schwingen. Das Ausgangssignal von dem Siliziumsubstrat (Sensorelement) 1 wird der Signalverarbeitungsschaltung 52 über einen Bonddraht 57 übertragen und von der Schaltung 52 verarbeitet. Danach wird das Signal einer Bondinsel bzw. Kontaktstelle 59 des Keramiksubstrats 50 über einen Bonddraht 58 ausgegeben, von der Kontaktstelle 59 einer anderen Kontaktstelle 60a über einen inneren Leiter und dergleichen übertragen und extern von dem Leitungsstift 50a über einen Bonddraht 61a ausgegeben. Der Leitungsstift 55b, der Bonddraht 61b und die Kontaktstelle 60b führen die Versorgungsspannung Vcc zu. Der Leitungsstift 55c, der Bonddraht 61c und die Kontaktstelle 60c führen das Erdungspotential zu.
Ein Verfahren zum Herstellen des in 1 und 2 dargestellten Winkelgeschwindigkeitssensorelements wird im folgenden beschrieben.
Eine N-Typ Siliziumschicht 1b läßt man über ein einkristallines P-Typ Siliziumsubstrat 1a wie in 6 dargestellt epitaxial aufwachsen. P-Typ Verunreinigungen diffundieren danach in ein vorbestimmtes Gebiet der epitaxia len Siliziumschicht 1b, um die P-Typ Diffusionsgebiete 15 und 16, welche in 1 und 2 dargestellt sind, zur Isolierung zu bilden. Danach werden P-Typ Verunreinigungen in die Oberfläche der N-Typ Siliziumschicht 1b wie in 7 dargestellt implantiert, um die piezoelektrischen Widerstandselemente 13a, 13b, 14a und 14b zu bilden, welche aus dem P⁺-Typ Diffusionsgebiet 25 zusammengesetzt sind. Danach werden die Haupt- bzw. Vorderseitenoberfläche und die Rückseitenoberfläche des einkristallinen Siliziumsubstrats mit Siliziumnitridschichten 26 bzw. 27 umhüllt.
Wie in 8 dargestellt wird die Siliziumnitridschicht 27 strukturiert, um Öffnungen aufzuweisen, welche entsprechend den Bildungsgebieten der dünnen Teile 9 und 12 positioniert sind. Zu diesem Zeitpunkt wird gleichzeitig die Siliziumnitridschicht 27 strukturiert, um (eine in 8 nicht dargestellte) Öffnung entlang den Gebieten aufzuweisen, die als Raum zwischen den Gebieten für den Rahmenkörper 2 und die Gebiete für das Schwingungselement 3 herauszuätzen sind. D.h. die Konfigurationen des Rahmenkörpers 2 und des Schwingungselements 3 werden durch die Struktur der Siliziumnitridschicht 27 bestimmt. Danach wird das einkristalline P-Typ Siliziumsubstrat 1a von seiner Rückseitenoberfläche auf eine vorbestimmte Tiefe unter Verwendung der strukturierten Siliziumnitridschicht 27 als Ätzmaske geätzt. Als nächstes wird wie in 9 dargestellt die Siliziumnitridschicht 27 durch Ätzen des einkristallinen P-Typ Siliziumsubstrats 1a um einen vorbestimmten Betrag von der Rückseitenoberfläche entfernt. Folglich ist das einkristalline Siliziumsubstrat 1 einer vorbestimmten Dicke t1 mit dünnen Teilen 9, 12 gebildet. Bei dem Ätzverfahren von der Rückseitenoberfläche zur Bildung dünner Teile kann ein bekanntes elektrochemisches Ätzverfahren verwendet werden.
Danach wird die Siliziumnitridschicht 26 der Hauptoberflächenseite strukturiert, um eine Öffnung entlang der Gebiete aufzuweisen, welche als Raum zwischen den Gebieten für den Rahmenkörper 2 und den Gebieten für das Schwingungselement 3 herauszuätzen sind. Unter Verwendung dieser strukturierten Siliziumnitridschicht 26 als Maske wird das einkristalline Siliziumsubstrat 1 von seiner Hauptoberfläche trocken geätzt, um das einkristalline Siliziumsubtrat 1 für ein unnötiges Gebiet zu entfernen, um den Rahmenkörper 2 und das stimmgabelförmige Schwingungselement 3 getrennt zu bilden. Nachdem das gesamte Siliziumsubstrat 1 oxidiert ist, werden die Oxid- und Nitridschichten für die vorbestimmten Gebiete entfernt, um Kontaktlöcher zu bilden.
Die Aluminiumelektroden (Kontaktstellen) 17 bis 23 und die (nicht dargestellten) Verdrahtungen werden durch eine Folge von Aluminiumauftragung, Sintern und Strukturierung gebildet. Nachdem eine Schutzschicht und eine Bondinsel gebildet sind und das Abtrennen mit einer Schneidevorrichtung durchgeführt wurde, ist schließlich ein Einzelchip-Winkelgeschwindigkeitssensorelement gebildet.
Wie oben beschrieben ist bei dem Herstellungsverfahren unter Verwendung der Silizium-Mikro-Materialbearbeitungstechnologie eine Verarbeitung und Herstellung, welche für eine herkömmliche Struktur von 15 benötigt wird, unnötig.
Der Betrieb eines Winkelgeschwindigkeitssensorelements, welches wie oben dargestellt hergestellt wird, wird im folgenden beschrieben.
Da das Erdungspotential an die Elektrode 21 angelegt wird, welche an dem Bodenteil 2a des Rahmenkörpers 2 angeordnet ist, ist das Erdungspotential ebenso an das Schwingungselement 3 angelegt. Die in 10 dargestellte Pulsspannung (Erregungsspannung) wird an die Elektroden 22 und 23 angelegt, welche an den Seitenteilen 2c und 2d des Rah menkörpers 2 angeordnet sind. D.h. während die vorbestimmte Spannung V_DD während der Einschaltperiode T1 aufgebracht wird, wird während der Ausschaltperiode T2 das Erdungspotential aufgebracht. Wenn die vorbestimmte Spannung V_DD an die Elektroden 22 und 23 angelegt wird, wird eine elektrostatische Kraft zwischen dem Arm 4 des Schwingungselements 3 und dem Seitenteil 2c des Rahmenkörpers 2 und zwischen dem Arm 5 und dem Seitenteil 2d des Rahmenkörpers 2 gebildet, so daß die Arme 4 und 5 von den Seitenteilen 2c bzw. 2d des Rahmenkörpers 2 angezogen werden wie durch einen Pfeil A in 2 veranschaulicht. Als Ergebnis bewegen sich die oberen Enden der Arme 4 und 5 in Richtung weiter voneinander weg. Wenn andererseits die Erdungsspannung an die Elektroden 22 und 23 angelegt wird, bewegen sich die oberen Enden der Arme 4 und 5 in Richtung aufeinander zu – wie durch einen Pfeil B in 4 veranschaulicht – infolge der Steifigkeit (Wiederherstellungskraft) der Arme 4 und 5. Mit der Wiederholung einer derartigen Bewegung schwingen die Arme 4 und 5 erregt gegeneinander in Richtung der x-Achse mit der Resonanzfrequenz ν.
Wenn eine Winkelgeschwindigkeit ω um die z-Achse herum während der Erregung der Arme 4 und 5 aufgebracht wird, wird eine Corioliskraft auf die Arme 4 und 5 aufgebracht, wodurch die Arme 4 und 5 in Richtung der y-Achse mit einer bestimmten Schwingung ν gegeneinander schwingen. Proportional zu der Corioliskraft ändern sich zu diesem Zeitpunkt die Widerstandswerte der piezoelektrischen Widerstandselemente 13a, 13b, 14a und 14b. Wie in 11 dargestellt weist die Basis (das Ankerteil) der Arme 4 und 5 einen Schwingungswinkel θ auf, welcher durch die mit zwei Punkten versehenen gestrichelten Linien dargestellt wird, das näher an dem oberen Ende als an dem dünnen Teil 9 befindliche Teil 7 kann jedoch weiter gebogen werden, um einen breiteren Schwingungswinkel aufzuweisen. Somit wird in dem dünnen Teil 9 eine größere Dehnung bzw. Spannung er zeugt, so daß die Widerstandswerte der piezoelektrischen Widerstandselemente 13a und 13b sich in großem Umfang ändern. Die Änderung der Widerstandswerte wird als Spannungsänderung von der Brückenschaltung entsprechend 3 erfaßt, und darüber hinaus wird die Potentialdifferenz zwischen den Erfassungselektroden 19 und 20 bei der Brückenschaltung von dem Differentialverstärker 24 verstärkt und ausgegeben. Der Ausgang von dem Differentialverstärker 24 ist proportional zu der Größe der aufgebrachten Winkelgeschwindigkeit. Der Arm 5 besitzt dieselbe Funktionsweise wie der in 11 veranschaulichte Arm 4.
Da entsprechend der vorliegenden Ausführungsform das Schwingungselement 3 aus Silizium gebildet ist, die dünnen Teile 9 und 12 zwischen den dicken Teilen 7, 8, 10 und 11 auf den Armen 4 und 5 gebildet sind und die piezoelektrische Widerstandselemente 13a, 13b, 14a und 14b (auf Dehnung bzw. Spannung ansprechende Elemente) zum Erfassen der Winkelgeschwindigkeit auf den dünnen Teilen 9 und 12 angeordnet sind, kann das Winkelgeschwindigkeitssensorelement durch eine Silizium-Mikro-Materialbearbeitungstechnologie mit einer stabilen Charakteristik und hoher Empfindlichkeit kostengünstig hergestellt werden.
Da bei der in 15 dargestellten herkömmlichen Struktur piezoelektrische Elemente mit einem Klebemittel plaziert werden, ist die Schwankung der Charakteristik infolge einer Positionierungsdifferenz größer. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden jedoch die piezoelektrischen Widerstandselemente durch Ionenimplantierung ohne Verwendung eines Klebemittels angeordnet, so daß die piezoelektrischen Widerstandselemente genau an gewünschten Positionen angeordnet werden können, und somit kann die stabile Charakteristik erzielt werden. Des weiteren ist es anders als bei dem herkömmlichen Sensor unnötig, eine Ansteuerungsplatte 41 und Erfassungsplatten 43a und 43b getrennt voneinander vorzusehen und sie senkrecht aufeinan der anzuordnen. Demgemäß wird es möglich, ein kleineres Winkelgeschwindigkeitssensorelement mit reduzierten Kosten herzustellen. Da die piezoelektrischen Widerstandselemente 13a, 13b, 14a und 14b auf den dünnen Teilen 9 und 12 angeordnet sind, welche teilweise auf den Armen 4 und 5 gebildet sind, können darüber hinaus die dicken Teile 7 und 10 an dem oberen Ende als Massen (Gewichtsteile) arbeiten. Demgemäß wird eine an den dünnen Teilen 9 und 12 induzierte Dehnung bzw. Spannung größer, um eine Erfassung der aufgebrachten Winkelgeschwindigkeit mit hoher Empfindlichkeit zu ermöglichen.
Bei der in 15 dargestellten herkömmlichen Struktur erstrecken sich Leitungsdrähte 45 von Schwingungsteilen (einem Schwingungselement), wodurch ein Nachlassen der Bondstärke des gelöteten Teils des Leitungsdrahts 45 infolge der Schwingung hervorgerufen wird. Bei der vorliegenden Struktur sind jedoch die piezoelektrischen Widerstandselemente elektrisch mit den Elektroden 17 bis 23 auf dem nicht schwingenden Rahmenkörper 2 über eine aus Verunreinigungsdiffusionsgebieten gebildete Verdrahtung verbunden, und die Bonddrähte 57 sind mit den Elektroden 17 bis 23 verbunden. Daher wird einer Schwächung des befestigenden Teils des Bonddrahts durch eine Schwingung vorgebeugt. Folglich wird ein Sensor mit hoher Zuverlässigkeit bereitgestellt.
Da die piezoelektrischen Widerstandselemente 13a, 13b, 14a und 14b als auf Dehnung bzw. Spannung ansprechende Elemente durch Diffundieren von Verunreinigungen in einkristallines Silizium gebildet werden, können die auf Dehnung bzw. Spannung ansprechenden Elemente leicht unter Verwendung einer herkömmlichen Technologie zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gebildet werden.
Darüber hinaus wird die Struktur dadurch bestimmt, daß das Schwingungselement 3 durch Herausätzen eines Teils des Siliziumsubstrats 1 gebildet wird; die Seitenteile 2c und 2d (befestigte Elektroden) des Rahmenkörpers 2 sind mit einem vorbestimmten Raum von den Armen 4 und 5 des Schwingungselements 3 gegenüberliegend gebildet; und eine Anwendung einer elektrostatischen Kraft zwischen den Armen 4 und 5 und den Seitenteilen 2c und 2d des Rahmenkörpers 2 regt die Arme 4 und 5 zum Schwingen an, gestattet die genaue und leichte Bildung der Seitenteile 2c und 2d des Rahmenkörpers 2 und des Schwingungselements 3 unter Verwendung einer gewöhnlichen Technologie zur Herstellung eines Halbleiterbauelements. Darüber hinaus kann die Erregung der Arme 4 und 5 auf leichte Weise erfolgen.
Die Arme 4 und 5 des Schwingungselements 3 sind durch einen PN-Übergang von den Seitenteilen 2c und 2d des Rahmenkörpers 2 elektrisch getrennt, so daß eine elektrische Isolierung ohne Schwierigkeiten unter Verwendung einer gewöhnlichen Technologie zur Herstellung eines Halbleiterbauelements ohne Schwierigkeiten erzielt werden kann.
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform beschrieben, wobei Unterschiede zwischen der ersten und zweiten Ausführungsform herausgestellt werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform werden wie in 12 dargestellt piezoelektrische Elemente 28 und 29 anstelle der piezoelektrischen Widerstandselemente verwendet.
Die piezoelektrischen Elemente 28 und 29, welche auf den dünnen Teilen 9 und 12 der Arme 4 und 5 angeordnet sind, sind jeweils dünne Schichten 30, welche wie in 13 veranschaulicht auf der N-Typ Siliziumschicht 1b gebildet sind, und bestehen hauptsächlich aus einem piezoelektrischen Material (PZT, ZnO und dergleichen). Die dünne piezoelektrische Schicht 30 wird durch Aufschichtung eines piezoelektrischen Materials auf einem Siliziumsubstrat 1b unter Verwendung eines Zerstäubungsverfahrens und Strukturierung durch Ätzen in eine vorbestimmte Form gebildet. Eine obere Elektrode 31, welche aus einer dünnen Aluminiumschicht gebildet ist, wird auf der dünnen piezoelektrischen Schicht 30 angeordnet, während eine untere Elektrode 32, welche aus einem Verunreinigungsdiffusionsgebiet gebildet ist, unter der dünnen piezoelektrischen Schicht 30 angeordnet wird.
Elektroden (Bondinseln) 33, 34 und 35 werden auf dem unteren Teil 2a des Rahmenkörpers 2 wie in 12 dargestellt angeordnet.
14 zeigt eine elektrische Verbindung der piezoelektrischen Elemente 28 und 29, welche in Reihe geschaltet sind. Der Verbindungsknoten zwischen den piezoelektrischen Elementen 28 und 29 ist mit der Erdungselektrode 33 verbunden. Ein Ende der Reihenschaltung der zwei piezoelektrischen Elemente 28 und 29 ist mit der Erfassungselektrode 34 verbunden, während das andere Ende mit der anderen Erfassungselektrode 35 verbunden ist.
Ein elektrisches Potential zwischen den Elektroden 34 und 35 wird verstärkt und als elektrisches Signal von dem Differentialverstärker 24 ausgegeben.
Ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform durch Anlegen des Erdungspotentials an die Elektrode 21, welche an dem Bodenteil 2a des Rahmenkörpers 2 angeordnet ist, während eine in 10 dargestellte Erregungsspannung an die Elektroden 22 und 23 angelegt wird, welche an den Seitenteilen 2c und 2d des Rahmenkörpers angeordnet sind, wird das Schwingungselement 3 zum Schwingen erregt und es wird eine größere Dehnung bzw. Spannung auf die dünnen Teile 9 und 12 entsprechend einer Winkelgeschwindigkeit aufgebracht. Im Ansprechen an die aufgebrachte Dehnung bzw. Spannung erzeugen die piezoelektrischen Dünnschichtelemen te 28 und 29 auf den dünnen Teilen 9 und 12 eine größere elektrische Ladung. Daher kann die aufgebrachte Winkelgeschwindigkeit durch Messen dieser elektrischen Ladung erfaßt werden.
Als Modifizierung der vorliegenden Erfindung kann eine piezoelektrische Kraft anstelle einer bei den oben erwähnten Ausführungsformen verwendeten elektrostatischen Kraft zur Erregung des Schwingungselements 3 verwendet werden.
Ein Graben kann in der N-Typ Siliziumschicht 1b als Ersatz für das Verfahren des elektrischen Trennens des Schwingungselements 3 von den Seitenteilen 2c und 2d, welche gegenüberliegend als feste Elektroden des Rahmenkörpers 2 angeordnet sind, gebildet werden, so daß der Graben sie voneinander isolieren und trennen kann. Der Graben kann mit Siliziumoxid oder Polysilizium gefüllt werden.
Des weiteren kann das Oberteil 2b des Rahmenkörpers 2 weggelassen werden. Das Oberteil 2b der oben erwähnten Ausführungsformen arbeitet derart, daß der quadratische ringförmige Rahmenkörper 2 aufrechterhalten wird und ebenso ein bestimmter Abstand zwischen den Seitenteilen 2c und 2d sichergestellt wird, so daß die Seitenteile 2c und 2d der Erzeugung der elektrostatischen Kraft zwischen dem Schwingungselement 3 widerstehen.
Des weiteren sollte das auf Dehnung bzw. Spannung ansprechende Element nicht entsprechend dem dünnen Teil des Arms angeordnet werden. Es kann angemessen sein, daß das auf Dehnung bzw. Spannung entsprechende Element derart angeordnet wird, daß ein Teil davon entsprechend dem dünnen Teil angeordnet wird.
Vorstehend wurde ein Winkelgeschwindigkeitsensor offenbart. Ein Rahmenkörper und ein stimmgabelförmiges Schwingungselement sind aus einem einkristallinen Silizium substrat gebildet. Das Schwingungselement besitzt Arme, welche sich parallel zueinander erstrecken. Die jeweiligen Seiten des Rahmenkörpers sind mit einem vorbestimmten Abstand von den Armen gegenüberliegend lokalisiert. Dünne Teile sind zwischen dicken Teilen gebildet, welche teilweise auf den Armen des Schwingungselements lokalisiert sind. Piezoelektrische Widerstandselemente zum Erfassen einer Winkelgeschwindigkeit sind auf den dünnen Teilen angeordnet. Wenn eine elektrostatische Kraft zwischen den Seiten des Rahmenkörpers und den Armen aufgebracht wird, werden die Arme zum Schwingen erregt. Wenn zu diesem Zeitpunkt eine Winkelgeschwindigkeit aufgebracht wird, schwingen die Arme in Richtung senkrecht zu der Erregungsrichtung. Die piezoelektrischen Widerstandselemente erfassen eine durch die Winkelgeschwindigkeit hervorgerufene Schwingung der Arme mit einer stabilen Charakteristik und hoher Empfindlichkeit.

Claims

Winkelgeschwindigkeitssensor, für den ein orthogonales Koordinatensystem mit einer x-Achse, die eine Breite bestimmt, einer y-Achse, die eine Dicke bestimmt, und einer z-Achse, die eine Länge bestimmt, definiert ist, mit: einem Schwingungselement (3), welches Arme (4, 5) einer Stimmgabelform aufweist, die sich parallel zueinander entlang der z-Achse erstrecken und über Fußteile (4a, 5a) miteinander verbunden sind, wobei das Schwingungselement (3) aus einer Halbleitersubstanz gebildet ist, wobei jeder Arm (4, 5) ein entlang der y-Achse dünnes Teil (9, 12) aufweist, welches zwischen dicken Teilen (7, 8, 10, 11) des Arms (4, 5) derart angeordnet ist, daß der Arm (4, 5) an dem dünnen Teil in Richtung der y-Achse gebogen werden kann; einer Erregungseinrichtung (2c, 2d, 22, 23) zum Erregen des Schwingungselements (3) derart, daß die Arme (4, 5) des Schwingungselements (3) in Richtung der x-Achse senkrecht zu der Richtung ihrer Dicke (y-Achse) schwingen; und auf Dehnung ansprechende Elemente (13a, 13b, 14a, 14b, 28, 29), welche auf den dünnen Teilen (9, 12) der jeweiligen Arme (4, 5) angeordnet sind, wobei die auf Dehnung ansprechenden Elemente die Krümmung des dünnen Teils beim Ansprechen auf eine aufgebrachte Winkelgeschwindigkeit erfassen.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungseinrichtung feste Elektroden aufweist, welche den Armen gegenüberliegend angeordnet sind, wodurch eine elektrostatische Kraft zwischen den Armen und den festen Elektroden jeweils hervorgerufen wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungselement und die festen Elektroden aus einem einzigen Halbleitersubstrat herausgebildet sind.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat Isolierungsgebiete aufweist, welche eine elektrische Isolierung zwischen den festen Elektroden und dem Schwingungselement vorsehen.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierungsgebiete Diffusionsgebiete sind, welche eine Isolierung an einem PN-Übergang bilden.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitersubstanz aus einkristallinem Silizium gebildet ist; und die auf Dehnung ansprechenden Elemente als piezoelektrische Halbleiterwiderstandselemente ausgebildet sind, welche an den dünnen Teilen vorgesehen sind.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitersubstanz aus einkristallinem Silizium gebildet ist; und die auf Dehnung ansprechenden Elemente als piezoelektrische Dünnschichtelemente ausgebildet sind, welche auf den dünnen Teilen gebildet sind.
Winkelgeschwindigkeitssensor, für den ein orthogonales Koordinationssystem mit einer x-Achse, die eine Breite bestimmt, einer y-Achse, die eine Dicke bestimmt, und einer z-Achse, die eine Länge bestimmt, definiert ist, mit: einem Halbleitersubstrat (1), welches derart strukturiert ist, daß ein stimmgabelförmiges Teil gebildet ist und ein Rahmenteil (2) das stimmgabelförmige Teil umgibt und über ein Verbindungsteil (6) hält, wobei das stimmgabelförmige Teil Arme (4, 5) aufweist, welche sich parallel zueinander entlang der z-Achse erstrecken, wobei jeder Arm (4, 5) ein freies Ende und ein entlang der y-Achse dünnes Teil (9, 12) aufweist, welches derart zwischen dicken Teilen (7, 8, 10, 11) des Arms (4, 5) angeordnet ist, daß der Arm (4, 5) an dem dünnen Teil (9, 12) infolge einer in Richtung der y-Achse induzierten Schwingung gekrümmt werden kann; festen Elektroden, welche an Seitenteilen des Rahmenteils (2) vorgesehen sind, wobei die Elektroden den sich in Richtung der y-Achse erstreckenden Teilen der Arme des stimmgabelförmigen Teils jeweils gegenüberliegen, wobei eine Erregungsspannung an die festen Elektroden und an das stimmgabelförmige Teil angelegt wird, um das stimmgabelförmige Teil derart zu erregen, daß die Arme (4, 5) in Richtung der x-Achse senkrecht zu der Richtung der Dicke der Arme (4, 5) schwingen; und auf Dehnung ansprechende Elemente (13a, 13b, 14a, 14b), welche auf den dünnen Teilen (9, 12) der jeweiligen Arme angeordnet sind, wobei die auf Dehnung ansprechenden Elemente (13a, 13b, 14a, 14b) die Krümmung des dünnen Teils beim Ansprechen auf eine aufgebrachte Winkelgeschwindigkeit erfassen.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) Isolierung zwischen den festen Elektroden und dem stimmgabelförmigen Teil vorsehen.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierungsgebiete als Diffusionsgebiete ausgebildet sind, welche eine Isolierung durch einen PN-Übergang bilden.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) aus einkristallinem Silizium gebildet ist; und die auf Dehnung ansprechenden Elemente (13a, 13b, 14a, 14b) als piezoelektrische Widerstandsdiffusionsgebiete ausgebildet sind, welche an den dünnen Teilen der Arme (4, 5) gebildet sind.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) aus einkristallinem Silizium gebildet ist; und die auf Dehnung ansprechenden Elemente (13a, 13b, 14a, 14b) als piezoelektrische Dünnschichten ausgebildet sind, welche auf den dünnen Teilen gebildet sind.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Rahmenteil (2) mit Bondinseln (17, 18, 19, 20, 21) versehen ist, welche mit den festen Elektroden, dem stimmgabelförmigen Teil bzw. den auf Dehnung ansprechenden Elementen elektrisch verbunden sind.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das stimmgabelförmige Teil mit einem Diffusionsgebiet vorgesehen ist, welches das auf Dehnung ansprechende Element (13a, 13b, 14a, 14b) und die Bondinseln (17, 18, 19, 20, 21) elektrisch verbindet.